引用本文
黄雄南, 杨晓平, 杨海波. 甘肃红崖堡1609年71/4级地震地表破裂再厘定 [J]. 地震地质, 2018,40(1): 276-294.
HUANG Xiong-nan, YANG Xiao-ping, YANG Hai-bo. REDETERMINATION OF THE SURFACE RUPTURES CAUSED BY THE HONGYAPU, GANSU PROVINCE, M71/4 EARTHQUAKE OF 1609 [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2018,40(1): 276-294.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2018.01.019
Permissions
Copyright©2018, 《地震地质》编辑部
《地震地质》编辑部 所有
甘肃红崖堡1609年71/4级地震地表破裂再厘定
黄雄南, 杨晓平, 杨海波
中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029

〔作者简介〕 黄雄南, 男, 1974年生, 2003年于北京大学获构造地质学专业博士学位, 副研究员, 现主要从事构造地质学研究, 电话: 010-62009170, E-mail: xiongnan_h@sohu.com。

收稿日期: 2017-11-15
基金项目: 中国地震活动断层探察: 南北地震带北段项目(20140823)与国家自然科学基金(41572195)共同资助
摘要

位于祁连山北缘活动断裂带中段的佛洞庙-红崖子断裂发生过1609年红崖堡 71/4级地震。通过详细的地貌解译和地形测量, 在比现代冲洪积扇和河床略高的次新地貌面上发现了全长约95km的地表破裂带, 西起酒泉洪水坝河, 东至肃南头道东湾。通过探槽研究和年代学测试, 确认该破裂带的产生晚于公元元年。对比区域上前人对历史强震震中分布的研究, 认为该地表破裂带即1609年红崖堡 71/4级地震地表破裂带。地形测量结果表明, 1609年红崖堡地震以逆冲倾滑为主, 平均垂向位移1.1m, 最大垂向位移1.8m。局部由于走向的变化兼具右旋走滑(NNW走向的小泉段)或左旋走滑(NEE走向的红山村东段)。依据地表破裂长度、 断层最大位移与断层倾角, 估算出地震震级为 MW7.0~7.4, 与前人认识(震级 M71/4)接近。

关键词: 佛洞庙-红崖子断裂; 祁连山北缘; 1609年红崖堡地震; 地表破裂
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2018)01-0276-19
REDETERMINATION OF THE SURFACE RUPTURES CAUSED BY THE HONGYAPU, GANSU PROVINCE, M71/4 EARTHQUAKE OF 1609
HUANG Xiong-nan, YANG Xiao-ping, YANG Hai-bo
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano, Institute of Geology,China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

The Hongyapu M71/4 earthquake in 1609 occurred on the Fodongmiao-Hongyazi fault, which is a Holocene active thrust in the middle segment of the northern Qilianshan overthrust fault zone, located in the north-eastern edge of the Tibet plateau. This earthquake caused death of more than 840 people, ruined the Hongyapu Village and had an affected area ca. 200km2. Previous work provided different opinions on the length of the earthquake surface rupture zone, such as 60km from the Bailanghe western riverbank to the Fenglehe eastern river bank, and only 11km from the Hongyazi village to eastern edge of the Hujiatai anticline. And the surface rupture zone appears in the western and middle segments of the Fodongmiao-Hongyazi fault zone. Our detailed geomorphic analysis and topographic survey found that the surface rupture zone with a total length of ca 95km is present on the new geomorphic surfaces which are slightly higher than the modern allvial-dilvial fans and riverbeds, which begins from the Hongshuiba river, Jiuquan in the west extending to the Toudaodongwan, southern Gansu in the east along the Fodongmiao-Hongyazi Fault. The surface rupture zone occurred later than 0 A D, proved by the study of trenchs and chronology. Compared to the previous research on the epicenters of the historical major earthquakes in and around the study region, this surface rupture zone is considereded to be the surface rupture zone of the Hongyapu earthquake of 1609 in Gansu provice. Average vertical co-seismic displacement of the 1609 Hongyapu earthquake is 1.1m with maximum 1.8m, dominated by thrusting. The NNW striking Xiaoqun segment shows thrust with a component of dextral strike slip and the NEE-trending East Hongshancun segment is also mainly thrust but with sinistral strike slipp. The lateral movement could be caused by the local change of the fault strike direction. Based on the length of surface ruptures, the maximum coseismic displacement and fault dipping, this event is estimated to be of ca. MW7.0~ MW7.4, close to the M71/4 suggested by previous studies.

Keyword: Fodongmiao-Hongyazi Fault; Northern Qilishan; Hongyapu earthquake in 1609; surface ruptures
0 引言

相比伸展型或走滑型断层, 挤压型活动断层和褶皱形成的地貌行迹通常更分散且模糊(McCalpin, 2009)。逆断层迹线比其他类型的断层更弯曲且不规则, 由短而不连续的段或连续的m级大小的锯齿迹线组成; 坡面作用、 水流侵蚀和冲积扇沉积会使得断层迹线变得模糊; 低角度逆断层的地震滑移分布面积宽, 通常不产生陡倾的陡坎, 而是形成跨断层带的弥散的地表破裂和小幅度的地表弯曲(McCalpin, 2009)。

祁连山北缘的佛洞庙-红崖子断裂是1条活动逆断裂, 前人对其几何展布、 分段、 运动学特征、 晚第四纪以来的滑动速率、 历史地震以及古地震开展过研究(国家地震局地质研究所等, 1993; 陈文彬, 2003; 郑文俊, 2009; Xu et al., 2010; 刘兴旺等, 2011, 2012, 2014; 杨海波等, 2017)。

1609年红崖堡 71/4级地震发生在该断层上(国家地震局地质研究所等, 1993)。地震造成了超过840人的死亡, 震中红崖堡旧城被摧毁, 极震区(金佛寺至红崖子)烈度达到Ⅹ 度, 等震线长轴NWW向, 影响范围近200km(顾功叙等, 1983; 国家地震局兰州地震研究所, 1985; 国家地震局地质研究所等, 1993; 曹娜, 2010; 刘兴旺等, 2011)。早期研究发现, 红崖子村及其附近尚保存着地震造成的滑坡、 地裂、 洞穴、 陡坎等遗迹(国家地震局地质研究所等, 1993; 国家地震局震害防御司, 1995; 曹娜, 2010; 刘兴旺等, 2011)。

目前对1609年红崖堡 71/4级地震地表破裂的长度和分布有着不同的认识。国家地震局地质研究所等(1993)认为该地震地表形变带长约60km, 西起丰乐河东, 东至摆浪河西, 主要由地震陡坎、 鼓包、 裂缝和山脊、 水系断错等组成, 包括沿小泉断裂分布的NNW走向形变带(陡坎高0.5~1m, 右旋位错约1m)和分布在小泉断裂两侧的NWW变形带(地震鼓包和陡坎高0.3~2m, 冲沟左旋位错2~3m)。Xu等(2010)认为这次地震地表破裂仅有11km长, 包括: 1)走向N15° W的小泉段, 同震破裂长11km, 为E倾的连续新鲜陡坎, 高约1m; 2)走向N65° W的红崖子段, 同震破裂长5km, 表现为N倾约1.5m高陡坎。地表破裂向东止于红崖子村东的水关河西岸, 向西止于马营河的胡家台背斜。曹娜(2010)对1609年红崖堡地震地表破裂带开展了较为详细的研究, 认为1609年红崖堡地震地表破裂带东起佛洞庙, 西至小泉村附近, 总长约90km, 其最大水平位移3m, 最大垂直位移为2m。地震地表破裂带证据主要为山前洪积扇和次生黄土台地、 河漫滩和I级阶地上的地震陡坎(坎高0.3~2m, 局部残留20~50cm高的自由面), 左旋位错(1.7~3m)的小纹沟。刘兴旺等(2012, 2014)在其研究中提及红崖堡 71/4级地震破裂带主要沿佛洞庙-红崖子断裂中西段连续分布, 破裂带主要由小陡坎和纹沟左旋组成, 陡坎保存新鲜的自由面。

我们在佛洞庙-红崖子断裂 1︰5万活动断层填图的过程中, 沿断裂带, 西起洪水坝河、 东至水关河以东长约95km范围内, 在比现代冲洪积扇和河床略高的次新地貌面(冲洪积扇、 T1阶地和高漫滩)上发现了大量约1m高、 坡向N的构造地貌陡坎, 部分陡坎残留了0.2~0.7m高的自由面。横跨陡坎的冲沟剖面、 河岸壁的天然剖面、 探槽或人工剖面等, 揭示了多数地貌陡坎受到断层控制。在局部段, 沿陡坎, 小冲沟(纹沟)有左旋或者右旋水平位错。

本文通过详细的野外地质考察和地貌测量, 以地震陡坎和冲沟位错为主要研究对象, 并结合14C和OSL测年数据对最新破裂事件的制约, 再次厘定了1609年红崖堡 71/4级地震地表破裂的长度。

1 区域背景概况

佛洞庙-红崖子断裂位于青藏高原的东北缘, 属于祁连山北缘活动断裂带的中段。断裂为酒东盆地与祁连山的分界, 沿山体边缘分布(图1)。地震反射剖面解译表明, 该断裂剖面上为复杂叠瓦状的逆冲推覆断层(Zuza et al., 2016)。

按平面几何形态、 地层切割关系, 佛洞庙-红崖子断裂可以分为3段: 西段, 洪水坝河至红山村东, 断层迹线较平直, 上盘出露地层主要为新近纪泥岩和砂岩, 断层S倾, 倾角约45° ; 中段, 从红山村东到马营河, 断层平面几何形态似锯齿状, 上盘出露古生代花岗岩体, 地震反射剖面揭示断层为S倾, 倾角25° ~35° (Zuza et al., 2016); 西段, 马营河至摆浪河支流西岔沟, 平面上出现显著的拐折, 近SN走向的段表现为逆冲兼走滑, 上盘出露地层主要为古生代变质砂岩和泥岩, 地震反射剖面显示断层为S倾, 倾角30° ~45° (Zuza et al., 2016)。

图 1 佛洞庙-红崖子断裂地质简图
a 佛洞庙-红崖子断裂位于青藏高原的东北缘, b 佛洞庙-红崖子断裂位于祁连山北缘活动断裂带的中段, a和b根据Xu et al., 2010改编; c 佛洞庙-红崖子断裂地质简图: 1 全新统, 2 上更新统, 3 中更新统, 4 下更新统, 5 上新统, 6 中新统, 7 古近系, 8 中生界, 9 古生界, 10 前寒武纪地层, 11 花岗岩, 12 基性岩, 13 中性侵入岩, 14 超基性岩, 15 前第四纪断层, 16 活动断层, 17 推测或隐伏活动断层, 18 水系, 19 历史地震震中位置(据国家地震局震害防御司, 1995; 中国地震局震害防御司, 1999; 曹娜等, 2010; 其中180年 71/2级1)依据国家地震局震害防御司, 1995; 180年7级2)依据曹娜等, 2010); c的底图依据1︰20万区测地质图改绘Fig. 1 Geologic map of the Fodongmiao-Hongyazi fault.

祁连山北缘中段山麓洪积扇按其分布位置和形成时代可以分为4期(杨海波等, 2017)。最早期洪积扇A1形成于中更新世, 主要出现在洪水坝河东岸山麓, 被改造成T8以上阶地(图2)。A2形成于晚更新世早-中期, 在洪水坝河地区被改造为T7和T6阶地。A3形成于晚更新世晚期, 在洪水坝河被改造为T5阶地。A4期洪积扇形成于全新世。

为了对较新地貌面上的构造现象进行详细研究, 本文将全新世以来的冲洪积扇再细分为4期: A4、 A5a、 A5b和A5c(图2)。最新的A5c为现代冲洪积扇, 被大砾石覆盖。次新的A5b为细砾石和粉砂— 粉土覆盖, 上游为小冲沟的T1阶地、 大冲沟的高漫滩。A5a表面有少量黄土覆盖, 其上游通常表现为小冲沟的T2阶地或河流的T1阶地。A4上通常覆盖了1~2m厚的黄土, 上游为大冲沟的T1或T2阶地以及河流的T3阶地。这些扇体规模通常较小, 叠置在A3期扇体之上。

图 2 洪水坝河东岸断错地貌解译
1 逆断层陡坎迹线; 2 逆冲断层; 3 A5c期冲洪积扇或河床; 4 洪水坝河高漫滩; 5 A5b期冲洪积扇或洪水坝河T1阶地; 6 洪水坝河T2阶地; 7 A5a期冲洪积扇或洪水坝河T3阶地; 8 A4期冲洪积扇或洪水坝河T4阶地; 9 洪水坝河T’4阶地, 比T4略高; 10 A3期冲洪积扇或洪水坝河T5阶地; 11 A3中期冲洪积扇, 覆盖在T6上; 12 A3晚期洪积扇, 覆盖在T5上; 13 A3早期洪积扇, 覆盖在T6上且前缘被改造为T5阶地; 14 T6阶地; 15 T7阶地; 16 T7’阶地, 比T7略高; 17 T8阶地; 18 T9阶地; 19 T10阶地, 与A1扇面相接; 点14015附近的T5阶地上也叠置了A4和A5期的冲洪积扇, 规模较小, 省略未画; 影像来源于Google EarthFig. 2 Offset landforms in the east bank of the Hongshuiba river.

图 3 洪水坝河东岸地震地表破裂平面分布图
1 T6阶地; 2 A3洪积扇; 3 A4洪积扇; 4 A5a洪积扇; 5 A5b洪积扇; 6 A5c, 现代冲沟和冲、 洪积扇; 7 地震地表破裂迹线; 8 晚更新世断层陡坎; 9 季节性小冲沟; 10 地形剖面测线, 其中a— a’为14006地形剖面线, 位置见图1; 影像来源于Google EarthFig. 3 Distribution of surface earthquake ruptures in the the east bank of the Hongshuiba river.

2 地震断层陡坎的类型和位移
2.1 断层陡坎类型

沿祁连山山前的佛洞庙-红崖子断裂, 从酒泉市洪水坝河向东至肃南县的头道东湾, 在低阶地、 高漫滩和较新的冲洪积扇面(A5b期冲积扇), 观察到一系列约1m高的陡坎, 部分陡坎残留了0.2~0.7m高的自由面。在平面上通常表现为单条陡坎(如图3点14012和图4), 或者多条近平行的弧形、 锯齿形陡坎(如图3的14010和14006)。

跨陡坎的地形剖面主要有4种类型: 1)单一陡坎。例如东段的石羊圈地区, 断层陡坎平面上呈锯齿状, 剖面上为单条陡坎, 其中A5b扇面陡坎高1.3m(图5); 2)单一陡坎且伴生背斜褶皱(鼓包地形)。例如东段水关河水库附近, 发育高度约1m的单条陡坎, 坎上靠近陡坎的位置出现鼓包地形(图6); 3)近平行的多条陡坎, 多为2、 3条陡坎, 个别地区有4条陡坎。例如中段的黄草坝河河口, 西岸T1阶地发育3条断层陡坎, 由南向北分别高1.4m、 1.6m和0.9m(图7); 4)多条陡坎且伴生背斜褶皱地形。例如西段的洪水坝河东岸, 点14006(图2, 8)附近的冲沟T1阶地(相当于A5b)发育2条向N倾的正向陡坎(高0.7m)和1条向S倾的反向陡坎(0.8m), 剖面上表现为背斜褶皱(图8)。

图 4 石羊圈附近地震地表破裂分布图
1 A1期洪积扇(洪水坝河T8阶地); 2 A2期洪积扇(洪水坝河T6阶地); 3 A3洪积扇; 4 A4洪积扇; 5 A5a期洪积扇; 6 A5b洪积扇; 7 A5c现代冲沟和堆积扇体; 8 地震地表破裂迹线; 9 季节性小冲沟; 10 地形剖面测线, b— b’ 为14040地形剖面线, 位置见图1; 影像来源于Google EarthFig. 4 Distribution of surface earthquake ruptures near the Shiyangjuan area.

图 5 石羊圈沟附近断层陡坎特征
a 石羊圈沟, 点14040(图4)陡坎照片; b 跨点14040陡坎的地形剖面Fig. 5 Features of the fault scarp near the Shiyangjuan gully.

图 6 水关河水库附近陡坎特征
a 水关河西岸, 水库南侧, 点151005观察到陡坎高0.9m; b 151005陡坎地形剖面Fig. 6 Features of the fault scarp near the Shuiguanhe reservoir.

图 7 黄草坝河河口附近地貌特征
a 黄草坝河河口林管站, T1阶地发育3条断层陡坎。 b 遥感影像解译(影像来源于Google Earth): 1 T5阶地; 2 T3阶地, 相当于A3; 3 T2阶地, 相当于A4; 4 T1阶地, 相当于A5a; 5 T0b高漫滩, 相当于A5b; 6 T0a漫滩和河床, 相当于A5c; 7 断层陡坎; 8 推测断层陡坎; 9 地形剖面位置。 c 黄草坝河河口西岸T1阶地地形剖面Fig. 7 Landform features around the stream outlet of the Huangcaoba river.

这些陡坎大部分为逆断层陡坎, 在相邻的河谷、 冲沟剖面和探槽剖面上观察到了控制陡坎变形的逆冲断层。例如夹山子水库电站槽道剖面深10m(点1609241, 图1), 揭示了1条S倾, 倾角20° 的断层, 地形剖面揭示的断层垂直位移与陡坎高度大体一致, 约1.4m(图9)。部分陡坎伴生了背斜地形, 同时在相邻剖面上也揭示了逆冲断层的存在, 例如洪水坝河东岸的点14006(图2, 3), 可以判断这种类型的陡坎是逆断层相关褶皱陡坎(图8)。

图 8 洪水坝河东岸冲沟T1阶地上的断层陡坎
洪水坝河东岸, T6阶地断层陡坎前缘次新地貌面(A5b期洪积扇)上的变形陡坎(点14006, 图2); 变形带包括2条向N倾的正向陡坎和1条向S倾的反向陡坎, 剖面上表现为背斜褶皱; a 最北侧的陡坎, N倾, 高约0.7m, 陡坎附近观察到突破地表的断层: 砾石定向带; b 中间的陡坎, N倾, 高约0.7m, 陡坎附近砾石层明显褶曲但未见断层; c 最南侧的反向坎, S倾, 高约0.8m, 在陡坎附近砾石层明显褶曲, 断层未突破地表; d 实测陡坎地形剖面, 用差分GPS测量, 构造剖面显示主断层在最北侧有陡坎出露, 次级断层造成中间陡坎和南侧陡坎; 总坎高约1mFig. 8 Fault scarps on the T1 terrace of a gully on the east bank of the Hongshuiba river.

图 9 夹山子水库北断层露头和断层陡坎
a 夹山子水库北点1609241, 水库电站槽道西壁出露断层剖面(剖面总高约10m; 断层走向78° , S倾, 倾角20° ), 砾石层顶面(黑线)垂向错动1.2m, 内部大砾石层(黄色断线)错动1.5m; b 点1609241地形剖面, 断层陡坎高1.4m, 测量点在图a的西侧, 位置见图1Fig. 9 Outcrop and topographic profile of a fault north of the Jiashanzi reservoir.

只在局部段, 沿断层陡坎观察到冲沟被水平错动。红山村东断裂段位于断裂带西段的东端(图1), 从红山村至茹家小庄, 沿NEE分布, 长约2.5km, 为左行逆冲断层。断层将白垩系逆冲到第四系上, 并左行错动冲沟及冲沟阶地(图10)。小泉断裂段位于断裂带的东段(图1), 从张家泉北经鸭沟、 小泉村西南, 切过小泉河, NNW-SSE向延伸, 长约11km, 为右行逆冲断层。表现为白垩系和古近系、新近系逆冲到第四系上, 沿断层, 冲沟水系右行错动(图11)。

图 10 红山村东断裂分布和断层运动学特征
a 红山村东, 白垩系向第四系逆冲, 断层产状140° ∠54° , 断面上擦痕指示左行斜冲; b 红山村东, 冲沟左行错动, 冲沟流水线(蓝色断线)左行错动约7m, T1阶地坎(黄色断线)左行位移3.0m; c 红山村东断裂地表迹线分布图, 左侧黑框为照片a的位置, 右侧黑框为照片b的位置; 影像来源于Google EarthFig. 10 Geometry and kinematic features of a fault east of the Hongshan village.

图 11 小泉村西断裂分布和断层运动学特征
a 小泉村西南, 点151068, 小泉河高漫滩上发育1.4m高陡坎; b 小泉村西南, 点150782, 小冲沟右旋位移3.3m; c 小泉村附近, 活动断裂分布图, 底图影像来源于Google Earth; d 小泉村南, 点151071, 冲沟壁揭示高倾角逆冲断层(230° ∠63° ~70° ), 白垩系向第四系砾石层逆冲; e 小泉村西, 点150781b, 小冲沟右旋1.4mFig. 11 Geometry and kinematic features of a fault west of the Xiaoquan village.

2.2 断层位移分布特征

2.2.1 断层陡坎高度分布

本研究使用了4种陡坎高度测量方式: 1)用激光测距仪在陡坎附近直接测量陡坎上、 下地貌面的高差; 2)用激光测距仪, 垂直陡坎沿剖面测量倾角和斜距, 投点做地形剖面图; 3)垂直陡坎沿剖面用罗盘测倾角, 用尺子(0.60m)或冰镐(0.74m)测斜距, 然后投点作图; 4)用差分GPS 垂直陡坎沿剖面测经纬度坐标和海拔高度, 投点做地形剖面图。

计算地震垂直位移时, 在同一期地貌面上的剖面如显示为多条陡坎, 则以总坎高作为该期地貌面的地震垂向位移; 否则为单条坎高。最新1期陡坎(次新地貌面, A5b扇面上), 共有60组测量数据, 平均垂向位移(坎高)1.1m(图12b)。

其中, 断裂西段(洪水坝河至红山村东)12组数据, 平均垂向位移(坎高)1.1m, 最大垂向位移(坎高)1.5m, 出现在屈家口子至红山村之间。中段(红山村东至马营河夹山子水库南)38组数据, 平均垂向位移(坎高)1.1m, 最大垂向位移(坎高)1.5m, 出现在榆林坝至黄草坝之间。东段(马营河夹山子水库西北至肃南县头道东湾)10组数据, 平均垂向位移1.0m, 最大垂向位移1.8m, 出现在小泉村西南。

数据反映了最新1期地震垂直位移的分布存在分段性, 各段位移呈现准正态分布(图12b): 西段的最大位移出现在屈家口子至红山村之间, 向两侧变小; 中段的最大位移峰值出现在榆林坝至黄草坝之间, 垂向位移向两侧变小; 东段的位移峰值出现在小泉村附近, 垂向位移向两侧变小。这种分段性与几何分段基本吻合。

用同样的方法统计, A5a期地貌面47组数据, 平均地震垂向位移2.4m, 最大5.1m, 出现在断裂中段黄草坝河; A4期地貌面14组数据, 平均垂向位移3.8m, 最大5.0m, 出现在断裂中段甘坝口和夹山子水库西南(图12)。3期地貌面(A4, A5a和A5b)的平均垂向位移数值之间近似符合倍数关系。而垂向位移数量的分布, 分别有1.5m、 2.5m和4.5m共3个峰值。因此, 推测A5b、 A5a和A4, 3期地貌面依次分别记录了1— 3次地震事件。

图 12 佛洞庙-红崖子断裂地表破裂带几何分布与地震位移分布图
a 红崖堡地震地表破裂带分布图; b 垂向位移分布图, 横坐标位置与图a破裂带展布一致; 浅红色线条表示A5b地貌面上的陡坎高度, 浅紫色线条为A5a陡坎高度, 浅蓝色线条为A4陡坎高度; c A4、 A5a、 A5b地貌面上垂向位移(陡坎高度)数据量分布图Fig. 12 Geometry of surface ruptures of the Fodongmiao-Hongyazi fault and distribution of coseismic displacements.

2.2.2 断层水平位移特征

我们只在小泉断裂段和红山村东断裂段发现了水平滑移分量。用激光测距仪, 沿陡坎走向测流水线、 冲沟壁或阶地坎在断层两盘的水平距离, 作为水平位移。

在小泉断裂段获得的水平位移数据相对较多。在小泉村西, 沿T3阶地侵蚀坡向NE流的5条小冲沟(陡坎之上的长度70~150m), 在陡坎附近发生的一致右旋扭动水平位移(图11e为其中1条冲沟的照片), 平均位移为(1.4± 0.5)m, 最大位移1.6m。与国家地震局地质研究所等(1993)的结果一致(右旋走滑1.0m)。而小泉断裂段上最新的陡坎高度约为1m, 例如: 鸭沟T1阶地陡坎高1.0m; 小泉高漫滩(点151068)陡坎高1.4m(图11a); 小泉西南冲沟T1陡坎高1.8m(点150782, 激光测距仪直接测量, 图11)。最新1期的水平位移和垂向位移大体一致。更长冲沟以及大冲沟的T3、 T2之间的阶地坎水平位错(5组)平均为(2.4± 0.5)m, 最大位移3.3m, 出现在小泉村西南(图11b)。这些水平位移对应的地貌面陡坎高度在2~3m, 水平位移和垂向位移也大体一致(例如鸭沟T2阶地高1.8m, 阶地坎水平位移2.3m)。

在红山村东断裂段获得的水平位移数据很少。仅在红山村东小冲沟, 获得T1和T2之间的阶地坎左行位移值3.0m, T1断层陡坎高约1.0m(图10b)。

2.3 最新1次事件的年代约束

沿佛洞庙-红崖子断裂, 西起洪水坝河, 东至头道东湾, 在次新的地貌面— — A5b冲积扇和冲沟T1阶地、 河流高漫滩上, 都发育了构造变形陡坎, 代表着最新的地震地表破裂, 破裂带总长度约95km(图12)。但是, 这些地表破裂形迹究竟是否形成于同1次事件?我们在不同段开挖探槽, 采集14C和光释光(OSL)测年样品, 试图对这些地表破裂的形成时代进行制约。

在东段, 马营河西岸的T5阶地, 对刘兴旺等(2014)开挖的探槽进行重新开挖和整理分析。该探槽位于叠置在T5阶地的A5a扇体上, 所跨的断层陡坎高1.7m(图13)。探槽中可以辨认出2次古地震事件, 在最新崩积楔所覆盖的地层采集了炭样(Tc1-9), 测年结果为1539— 1635AD(经树轮校正, 本文提到的14C测年的测试单位皆为美国Beta实验室)。砾石层顶部位移约1.5m, 与陡坎高度一致。

图 13 马营河西岸探槽Tc1附近的地形地貌特征和探槽剖面
a 探槽Tc1所在陡坎照片。 b 探槽西壁照片; 探槽中可以辨认出2个崩积楔, 分别标为③和⑤, 其中最新的崩积楔③覆盖在层④; 采集炭样Tc1-9, 测年结果1539— 1635AD。 c Tc1所跨陡坎的地形剖面, 坎高1.7m。 d 马营河西岸地貌解译图(影像来源于Google Earth): 1 A1期洪积扇; 2 A2期洪积扇; 3 T6阶地, 相当于A3期洪积扇; 4 T5阶地或A4期洪积扇; 5 A5a洪积扇; 6 A5b洪积扇; 7 T5阶地上最新的冲沟和A5c洪积扇; 8 活动断层陡坎迹线; 9 推测的断层迹线, 断层两盘之间有高差, 但被后期改造, 坡度小; 10 水系; 11 地形剖面位置Fig. 13 Geomorphic features and profile of trench Tc1 on the west bank of the Maying river.

图 14 黄草坝河河口探槽Tc4地貌特征和地质剖面(图7a)Fig. 14 Geomorphic features of trench Tc4 and geologic cross-section at mouth of the Huangcaoba river.

a T1阶地陡坎1.6m, 比T1略低的冲沟的1级阶地(T1a)陡坎高0.8m, 剖面揭示1条断层和2个崩积楔, 断层造成砾石堆积层的顶面断错1.6m; b 在崩积楔1下伏地层采集炭粒样品HCB16-1, 14C常规年龄为(800± 30)a, 树轮校正年龄范围为公元1190— 1275年(置信区间95%)

在断裂中段, 黄草坝河河口附近开挖了探槽Tc4(图7b, 点150736)。该地区的河流西岸T1阶地上, 由南向北共发育3条近EW走向陡坎, 分别高1.4m、 1.6m和0.9m(图7c)。在T1阶地西侧有冲沟, 因开挖水渠而破坏。与T1中间陡坎(1.6m高)相邻的位置, 该冲沟阶地发育约0.8m高的陡坎, 该坎高与河东岸高漫滩的陡坎高度一致。跨陡坎开挖探槽, 辨认出2次古地震事件(图14a)。在最新崩积楔覆盖的砂层中采集炭粒, 14C测年结果为1190— 1275AD(树轮校正, 置信区间95%)(图14b)。

在断裂西段的洪水坝河地区, 我们重新开挖整理了刘兴旺等(2014)的探槽, 命名为Tc3。探槽位于叠置在T5阶地上的A5b洪积扇扇面上, 跨高0.4~0.8m的陡坎开挖(图12c)。探槽东壁可以清楚地辨认出3个由砾石、 黄土混杂组成的崩积楔, 最新崩积楔覆盖的地层(黄土)光释光测年结果为(1.7± 0.2)ka(样品TC3-OSL-6, 测试单位为地震动力学国家重点实验室), 14C测年结果为1i967~2i097aiBP(经树轮校正), 说明最新事件发生在公元元年之后。在相邻的A5a扇面上开挖了探槽Tc6(图2点14015)。A5a扇上, 由南至北发育2条坡向N的断层陡坎(图12a)。差分GPS所测地形剖面揭示北侧陡坎高1.7m, 南侧陡坎高1.0m(图12b)。Tc6探槽垂直北坎开挖。探槽揭示断层已经突破到近地表, 仅被薄层的风成黄土覆盖(图12d)。在Tc6以东, 观察到了多条冲沟一级阶地变形现象(图12f)。

图 15 洪水坝河探槽Tc3、 Tc6附近地貌特征和探槽剖面
a 探槽Tc3和Tc6附近露头照片, 红色箭头指示北侧陡坎位置, 深蓝色箭头指示南侧陡坎位置; b 平行探槽Tc6的地形剖面, 差分GPS测量, 北侧陡坎高约1.7m, 南侧陡坎高约1.0m, 总高2.4m; c 探槽TC3邻近的地形剖面, 用罗盘和水平尺测量, 坎高0.8m; d 探槽TC6西壁照片, 断层错动砾石层顶界且以黄土变形条带的样式延伸到近地表; e 探槽Tc3东壁照片, 砾石层顶界被垂向错动1.6m, 崩积楔1下伏的黄土层光释光测年结果为(1.7± 0.2)ka; f 探槽Tc6东侧小冲沟T1阶地发育陡坎和崩积楔, 坎高约0.5m, 上盘砾石层理向S倾斜Fig. 15 Geomorphic features and trench profiles of trenches Tc3 and Tc6 near the Hongshuiba river.

公元元年以来, 酒泉附近有记载的4.7级以上历史地震(包括近现代)共有6次(表1)。根据前人给出的震中位置(图1), 这6次地震仅有1609年红崖堡 71/4级地震可能发生在佛洞庙-红崖子断裂上。

公元180年秋的表氏地震(71/2级)被认为发生在甘肃高台西(39.4° N, 99.5° E; 顾功叙, 1983; 国家地震局震害防御司, 1995)、 肃南县明花区新墩子城(39.6° N, 99.3° E)(曹娜等, 2010)或者发生在高台合黎山南缘(郑文俊等, 2009)。756年地震和1560年地震, 震中都在榆木山西端附近(顾功叙, 1983; 国家地震局震害防御司, 1995)。1956年的43/4级地震, 震中在酒泉东南(酒东盆地内)(中国地震局震害防御司, 1999)。1988年肃南南的5.2级地震发生在肃南西岔沟东南(160° )约48km的位置上。这些历史地震震中都远离了佛洞庙-红崖子断裂。

我们在佛洞庙-红崖子断裂东段Tc1探槽辨认出的最新地震事件发生在公元1539— 1635年之后, 中段Tc4在1190— 1275年之后, 西段Tc3的最新事件在公元元年之后。对比历史地震记录, 这次最新的地震事件应该是1609年红崖堡地震。

表1 酒泉附近的历史地震 Table1 Historical earthquakes around Jiuquan, Gansu Province
3 讨论与结论
3.1 1609年红崖堡 71/4级地震地表破裂长度和震级再讨论

我们沿佛洞庙-红崖子断裂, 从洪水坝河至头道东湾, 以地震断层陡坎为主要证据, 辨认出了全长约95km的最新地表破裂带。各段开挖的探槽揭示出与最新地震陡坎相关的地震事件发生在公元元年之后, 根据前人对历史地震震中分布的研究, 公元元年之后发生在佛洞庙-红崖子断裂上的地震应该是1609年红崖堡地震。

佛洞庙-红崖子断裂的中、 西段, 在大量次新地貌面上(包括A5b冲积扇、 冲沟T1阶地和高漫滩)发现了断层陡坎, 证明1609年红崖堡地震地表破裂带向W延伸到了洪水坝河的佛洞庙附近, 与曹娜(2010)和刘兴旺等(2012, 2014)的认识一致。在红崖子村东的水关河东岸至东道东湾, 发现了地震陡坎的证据(图6), 证实水关河东仍有约5km的地表破裂。地表破裂带向东并非终止于小泉村或者红崖子附近。

对60组次新地貌面地震陡坎高度的测量数据统计表明, 1609年红崖堡地震平均垂向位移1.1m, 最大1.8m。局部段有水平位移, 其中小泉段平均水平位移为1.4m(5组数据), 最大水平位移1.6m, 与垂直位错接近一致。在红山村东测得1组左行位移数据, 约3m, 该点垂向位移为1m。

地震反射剖面反演的佛洞庙-红崖子断裂倾角范围为25° ~45° (Zuza et al., 2016)。因此, 根据最大垂向位移1.8m, 可以推断这次地震在纯逆冲段的最大滑移量为2.5~4.3m。具有走滑分量的小泉段最大垂向位移1.8m、 最大水平位移1.6m, 露头揭示断层倾角45° ~70° , 根据三角公式换算为最大滑移量2.5~3m。红山村东段垂向位移1m, 左行位移3m, 露头揭示的断层倾角54° , 换算最大滑移量为3.2m。

根据Wells等(1994)推导的地表破裂长度(SRL)与震级关系经验公式: MW=5.08+1.16× log(SRL), 地震破裂长度(SRL)为95km, 可推算1609年红崖堡地震震级为MW7.4。根据最大位移(MD)与震级关系经验公式: MW=6.69+0.74× log(MD), 1609年红崖堡地震最大位移2.5~4.3m, 则推算震级为MW7.0~7.2。推算出的震级范围MW7.0~7.4, 与前人的 71/4级的震级判断认识接近(顾功叙, 1983; 刘兴旺等, 2011)。

3.2 结论

(1)通过详细的地貌解译和地形测量, 在比现代冲洪积扇和河床略高的次新地貌面上发现了全长约95km的地表破裂带, 西起酒泉洪水坝河, 东至肃南头道东湾。通过探槽研究和年代学测试, 确认该破裂带的发生晚于公元元年。对比区域上前人对历史强震震中分布的研究, 认为该地表破裂带即1609年红崖堡 71/4地震地表破裂带。

(2)1609年红崖堡地震以逆冲倾滑为主, 平均垂向位移1.1m, 最大垂向位移1.8m; 局部存在逆冲兼右旋走滑(NNW走向的小泉段)或逆冲兼左旋走滑(NEE走向的红山村东段)的段。

(3)依据地表破裂长度、 断层最大位移与断层倾角, 利用震级经验公式(Wells et al., 1994)估算出1609年红崖堡地震的震级为MW7.0~7.4, 与前人认识(震级M71/4)接近。

致谢 感谢杨会丽在光释光测年样品处理过程中提供的指导和帮助, 刘兴旺、 曹娜团队在佛洞庙-红崖子断裂上开展的前期工作, 与审稿专家对文章修改提出的宝贵意见。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 曹娜. 2010. 1609年红崖堡 71/4级地震和180年表氏 71/2级地震考证研究 [D]. 兰州: 中国地震局兰州地震研究所: 9—43.
CAO Na. 2010. Textural research on Hongya Bao MS71/4 earthquake in 1609 and Biaoshi MS71/2 earthquake in 180 [D]. China Earthquake Administration Lanzhou Institute of Seismology, Lanzhou: 9—43(in Chinese). [本文引用:1]
[2] 曹娜, 雷中生, 袁道阳, 等. 2010. 公元180年甘肃表氏地震考[J]. 地震学报, 32(6): 744—753.
CAO Na, LEI Zhong-sheng, YUAN Dao-yang, et al. 2010. Textural criticism on the Biaoshi, Gansu, earthquake in 180AD[J]. Acta Seismologyica Sinica, 32(6): 744—753(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 陈文彬. 2003. 河西走廊及邻近地区最新构造变形基本特征及构造成因分析 [D]. 北京: 中国地震局地质研究所: 36—91.
CHEN Wen-bin. 2003. Principal features of tectonic deformation and their generation mechanism in the Hexi corridor and its adjacent regions since late Quaternary [D]. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing: 36—91(in Chinese). [本文引用:1]
[4] 顾功叙. 1983. 中国地震目录(公元前1831年—公元1969年)[Z]. 北京: 科学出版社: 1—664, 778—785, 862—894.
GU Gong-xu. 1983. Catalogue of Chinese Earthquakes [Z]. Science Press, Beijing: 1—664, 778—785, 862—894(in Chinese). [本文引用:1]
[5] 国家地震局地质研究所, 国家地震局兰州地震研究所. 1993. 祁连山-河西走廊活动断裂系 [M]. 北京: 地震出版社: 19—228.
Institute of Geology, State Seismological Bureau, Lanzhou Institute of Seismology, State Seismological Bureau. 1993. The Qilian Mountain-Hexi Corridor Active fault System [M]. Seismological Press, Beijing: 19—228(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 国家地震局兰州地震研究所. 1985. 陕甘宁青四省(区)强地震目录(公元前1177年—公元1982年)[Z]. 西安: 陕西科学技术出版社: 170.
Lanzhou Institute of Seismology, State Seismological Bureau. 1985. Strong Earthquake Catalog in Shaanxi, Gansu, Ningxia and Qinghai Pronvinces(1177BC—1982AD)[Z]. Shaanxi Science & Technology Press, Xi'an: 170(in Chinese). [本文引用:1]
[7] 国家地震局震害防御司. 1995. 中国历史强震目录(公元前23世纪—公元1911年)[Z]. 北京: 地震出版社: 1—472, 497—499, 508.
Earthquake Disaster Prevention Department, SSB. 1995. Catalogue of Chines Strong Historical Earthquakes [Z]. Seismological Press, Beijing: 1—472, 497—499, 508(in Chinese). [本文引用:1]
[8] 刘兴旺, 雷中生, 袁道阳, 等. 2011. 1609年甘肃红崖堡 71/4级地震考证[J]. 西北地震学报, 33(2): 143—148.
LIU Xing-wang, LEI Zhong-sheng, YUAN Dao-yang, et al. 2011. Textual research on the Hongyapu M7. 25 earthquake in 1609[J]. Northwestern Seismological Journal, 33(2): 143—148(in Chinese). [本文引用:1]
[9] 刘兴旺, 袁道阳, 何文贵. 2014. 祁连山北缘佛洞庙-红崖子断裂古地震特征初步研究[J]. 震灾防御技术, 9(3): 411—419.
LIU Xing-wang, YUAN Dao-yang, HE Wen-gui. 2014. Preliminary study of palaeo-earthquakes on the Fodongmiao-Hongyazi Fault in the north margin of Qilian Mountain[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 9(3): 411—419(in Chinese). [本文引用:1]
[10] 刘兴旺, 袁道阳, 郑文俊, 等. 2012. 祁连山北缘佛洞庙-红崖子断裂晚第四纪滑动速率研究[J]. 地质科学, 47(1): 51—61.
LIU Xing-wang, YUAN Dao-yang, ZHENG Wen-jun, et al. 2012. Research on Late Quaternary slip rates of the Fodongmiao-Hongyazi Fault at the north margin of Qilianshan Mountain[J]. Chinese Journal of Geology, 47(1): 51—61(in Chinese). [本文引用:1]
[11] 杨海波, 杨晓平, 黄雄南. 2017. 祁连山北缘断裂带中段晚第四纪活动速率初步研究[J]. 地震地质, 39(1): 20—42. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2017. 01. 002.
YANG Hai-bo, YANG Xiao-ping, HUANG Xiong-nan. 2017. A preliminary study about slip rate of middle segment of the Northern Qilian Thrust Fault Zone since Late Quaternary[J]. Seismology and Geology, 39(1): 20—42(in Chinese). [本文引用:1]
[12] 郑文俊. 2009. 河西走廊及其邻区活动构造图像及构造变形模式 [D]. 北京: 中国地震局地质研究所.
ZHENG Wen-jun. 2009. Geometric pattern and active tectonics of the Hexi Corridor and its adjacent regions [D]. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing(in Chinese). [本文引用:1]
[13] 郑文俊, 张培震, 袁道阳, 等. 2009. 甘肃高台合黎山南缘发现地震地表破裂带[J]. 地震地质, 31(2): 247—255. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2009. 02. 005.
ZHENG Wen-jun, ZHANG Pei-zhen, YUAN Dao-yang, et al. 2009. Discovery of surface rupture zone on the south of Helishan in Gaotai, Gansu Province[J]. Seismology and Geology, 31(2): 247—255(in Chinese). [本文引用:1]
[14] 中国地震局震害防御司. 1999. 中国近代地震目录(公元1912—1990年MS≥4. 7)[Z]. 北京: 中国科学技术出版社: 545—548.
Earthquake Disaster Prevention Department, China Earthquake Administration. 1999. Recent Earthquake Catalogue of China(1912—1990, MS≥4. 7)[Z]. Science and Technology of China Press, Beijing: 545—548(in Chinese). [本文引用:1]
[29] McCalpin J P. 2009. Paleoseismology [M]. 2nd ed. Academic Press, Burlington, MA, USA. [本文引用:1]
[30] Wells D L, Coppersmith K J. 1994. New Empirical relationships among magnitude, rupture length, rupture width, rupture area, and surface displacement[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(4): 974—1002. [本文引用:1]
[31] Xu X W, Yeats R S, Yu G H. 2010. Five short historical earthquake surface ruptures near the Silk Road, Gansu Province, China[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 100(2): 541—561. [本文引用:1]
[32] Zuza A V, Cheng X G, Yin A. 2016. Testing models of Tibetan plateau formation with Cenozoic shortening estimates across the Qilian Shan-Nan Shan thrust belt[J]. Geosphere, 12(2): 501—532. [本文引用:1]